Un gruppo di ricercatori della Peking University ha annunciato un importante progresso nella progettazione dei transistor, che, se portato su scala industriale, potrebbe influenzare profondamente il futuro sviluppo dei microprocessori.
Il team ha realizzato un transistor privo di silicio, basato su un materiale bidimensionale: il biossiselenuro di bismuto.
L’innovazione si basa sull’architettura gate-all-around (GAAFET), in cui il gate del transistor avvolge completamente la sorgente. Al contrario, i FinFET tradizionali, attualmente alla base della maggior parte dei processori in silicio, prevedono un avvolgimento solo parziale.
Questa struttura completamente avvolgente consente un contatto maggiore tra gate e canale, migliorando le prestazioni grazie a una riduzione delle dispersioni di energia e a un controllo più efficace della corrente.
Transistor 2D più veloce ed efficiente del silicio: i risultati pubblicati su Nature Materials
Uno studio pubblicato su Nature Materials indica che il nuovo transistor GAAFET bidimensionale sviluppato presso la Peking University potrebbe competere, o addirittura superare, le prestazioni dei transistor in silicio in termini di velocità ed efficienza energetica.
Secondo i ricercatori, il transistor raggiunge velocità superiori del 40% rispetto ai chip a 3nm più recenti e consuma il 10% di energia in meno, prestazioni che lo collocherebbero al di sopra dei processori attualmente disponibili sul mercato.
La copertura parziale del gate nei progetti tradizionali limita il controllo della corrente e aumenta le dispersioni. Il nuovo design con copertura totale risolve questi problemi, garantendo un elevato guadagno di tensione e un consumo energetico ridotto al minimo. Il team ha già realizzato piccole unità logiche funzionanti con questa architettura.
“È il transistor più veloce ed efficiente mai realizzato”, ha dichiarato la Peking University. Le prestazioni sono state confermate da test eseguiti nelle stesse condizioni operative utilizzate per i principali chip commerciali.
“Se le innovazioni sui materiali esistenti rappresentano una scorciatoia, allora lo sviluppo di transistor basati su materiali 2D equivale a cambiare corsia”, ha affermato il professor Peng Hailin, responsabile del progetto.
Diversamente dai FinFET, basati su strutture verticali, il nuovo design presenta una forma simile a ponti intrecciati. Questo cambiamento architetturale potrebbe superare i limiti di miniaturizzazione imposti dalla tecnologia al silicio, soprattutto con l'avanzare verso i nodi inferiori ai 3nm. Potrebbe inoltre portare benefici ai portatili ad alte prestazioni, che richiedono chip estremamente compatti.
Il team ha sviluppato due nuovi materiali a base di bismuto: Bi2O2Se come semiconduttore e Bi2SeO5 come dielettrico del gate. Questi materiali offrono una bassa energia d’interfaccia, riducendo la formazione di difetti e la dispersione elettronica.
“Questo consente agli elettroni di fluire quasi senza resistenza, come acqua in un tubo liscio”, ha spiegato Peng.
I risultati sono stati confermati sia da calcoli basati sulla teoria del funzionale della densità (DFT) sia da test fisici eseguiti con una piattaforma di fabbricazione ad alta precisione presso l’ateneo cinese.
Infine, i ricercatori affermano che questi transistor potrebbero essere prodotti utilizzando le attuali infrastrutture dell’industria dei semiconduttori, facilitandone l'integrazione nei processi produttivi esistenti.